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銅及銅合金焊絲焊接注意事項
摘要: 簡要介紹了銅及銅合金的分類、性質;分析了銅及銅合金的焊接性、鋼與銅及銅合金的焊接性以及在焊接過程中易出缺陷(氣孔、裂紋)的原因和解決措施;探討了銅及銅合金、鋼與銅及銅合金的焊接工藝。實踐證明:焊接方法和工藝選擇得當,焊接材料選擇合理,在焊接過程中易出現的缺陷是完全可以避免的。
關鍵詞:銅;銅合金;焊接性;工藝
1.銅及銅合金的種類及性質
1.1銅為面心立方晶格,具有較多的形變滑移系,室溫、高溫變形能力很好,退火狀態的銅,不經中間退火可壓縮85%～ 95%而不產生裂紋。但純銅在500～ 600℃呈現“中溫脆性”。在焊接過程中,易在此溫度區間發生裂紋。據研究,“中溫脆性”和雜質的性質、含量、分布、固溶度等有關。銅可分為無氧銅和含有少量氧的純銅。純銅的導電性能好,常用于導電材料,但是存在Cu2O-Cu的低熔點共晶物,焊接時易出現裂紋。無氧銅又可分為用P、Mn脫氧的脫氧銅和無氧銅,由于其焊接性好,常用于焊接結構。
1.2銅合金
銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。
1.2.1黃銅
黃銅是Cu-Zn合金,根據Zn的含量不同又可分為很多種,為了改變黃銅的性能,也可以加入其它元素,如Al、Ni、Mn等。從而形成了鋁黃銅、鎳黃銅、錳黃銅等。由Cu-Zn二元系相圖可知,黃銅固態下有T、
U、V、W、X、Z六個相,其中T相是以銅為基的固溶體,其晶格常數隨Zn含量的增加而增大。 Zn在銅中的溶解度與一般合金相反,隨溫度降低而增加,在456℃時固溶度達最大值后, Zn在銅中溶解度隨溫度的降低而減少。T固溶體具有良好的塑性,可進行冷熱加工,并有良好的焊接性能。
1.2.2青銅
青銅是Cu與Sn、Al、Si等元素的合金。按成分可分為錫青銅、鋁青銅、硅青銅等。青銅具有較高的耐磨性、力學性能和耐蝕性,彈性和焊接性能都很好,且線收縮系數小。青銅廣泛用于鑄件和加工制品。
1.2.3白銅
白銅是銅鎳合金,顏色呈銀色或淡灰白色。白銅具有耐熱和耐寒的性能,中等強度,塑性高,能進行冷熱壓力加工,還有很好的電學性能,除用作結構材料外,還是重要的高電阻和熱電偶合金。所以,白銅按其用途可分為結構白銅和電工白銅。結構白銅具有很好的耐蝕性,優良的力學性能和壓力加工性能,焊接性好,主要用來制造冷凝管、蒸發器、熱交換器和各種高強度的耐蝕件等。另外,白銅中也可加入其它元素,形成鐵白銅、鋅白銅、鋁白銅、錳白銅等。
2.焊接性分析
2.1銅及銅合金的焊接
2.1.1銅
普通工程中所用的銅,其含量一般在99.95%以上,其余是雜質,雜質的存在對銅的焊接性有很大的影響。
(1) Bi與Pb是銅中的主要雜質,它們均不溶于固態銅,微量的Pb形成低熔點共晶組織(Cu+ Pb),其共晶溫度為326℃ ; Bi與Cu也形成低熔點共晶組織(Cu+ Bi),其共晶溫度為270℃ ,這些共晶體最后結晶,集中在晶界上,會使銅產生脆性,在焊接過程中形成裂紋,因此,應限制Bi、 Pb在銅中的含量, Bi <0.002% , Pb<0.005%。
(2) P的熔點為44℃ ,在700℃時P在銅中的溶解度為1.75% ,而在200℃時的溶解度則僅為0.4% ,溫度下降, P在銅中的溶解度也下降。它能顯著降低銅的導電性和導熱性,但對銅的力學性能有良好的影響,焊接時可作為還原劑,但含量過多,會使焊縫金屬產生氣孔和裂紋。
(3) S能溶解在熔融的銅中, S的存在使銅的熔點降低,形成Cu2 S脆性化合物,使銅的塑性降低,當S含量>0.1%時,銅就會有熱脆性,焊接時熱狀態就產生裂紋。
(4)氧很少固溶于銅,與銅生成Cu2O,由Cu-O2相圖可知,含氧銅冷凝時,氧呈共晶體(Cu+ Cu2O)析出,分布在晶界上,其熔點是1 066℃ ,共晶體比銅后凝固,分布在晶體的晶界,這就降低了銅的塑性和耐腐蝕性,也使其焊接性變差。
銅有較高的導熱性(比低碳鋼導熱系數大8倍),若加熱溫度不高,即使長時間加熱也不易使Cu熔化。而隨溫度的升高,它的結晶組織變為粗大,相互間連接能力降低。
銅在焊接時易出現的缺陷主要有裂紋和氣孔。首先是熱裂紋和氫侵蝕裂紋。由于銅中含有一定量的使銅的固-液區間擴大的雜質,如Pb、 Bi、 P、 As等。所以,即使雜質含量很少,也十分容易產生熱裂紋。其次是氫的侵蝕裂紋,由于銅中含有一定量的氧,焊接過程中,氫就會向銅中擴散,發生如下反應:
u2O+ H2 2Cu+ H2O
所形成的H2O,以氣體形態聚集于晶界,造成氫侵蝕裂紋。
最后是氣孔,氣孔是由以下反應形成的:
2H(a)+ O(a) H2O(g) (1)
2H(a) H2(g) (2)
式中(a)為原子態, (g)為氣態。
由反應(1)生成的H2O,不溶解于銅中,在銅的凝固過程中,來不及逸出而形成氣孔,同理由反應(2)生成的H2,也會形成氫氣孔。防止氣孔的措施主要是在焊接材料中加入一定量的脫氧劑,提高焊前預熱溫度,減緩熔池的冷卻速度,以使H2、H2O能有時間逸出,另外還可以在焊槍上加電磁發生設備,使電磁作用于熔池,攪拌熔池,使氣體逸出。
2.1.2銅合金
黃銅在焊接時的主要困難是銅合金中Zn的蒸發(Zn在906℃時蒸發),由于Zn的蒸發而容易產生多氣孔的焊縫。在焊接錫青銅時,當溫度升高, Sn極易蒸發或氧化成SnO2,在焊縫金屬中很難除去,于是形成氣孔和夾雜物,因此在焊接時應加入一定量的脫氧劑。鋁青銅焊接時, Al和O2反應生成難熔的Al2O3,為了清除Al2O3,可采用鋁合金焊接時的還原劑。Ni是白銅的主要成分, Ni的熔點為1 450℃ ,沸點3 075℃ ,并具有加熱到700～ 800℃時仍不氧化的性能,因此,在焊接
白銅的過程中,主要應防止Cu的蒸發和防止O2、S、C的破壞作用。
銅合金的焊接,最主要的問題是裂紋。與銅一樣,由于雜質在晶界析出,銅合金也十分容易形成裂紋。在鋁青銅中,由于含Al量比較低,所以形成了T單相的焊縫組織,裂紋敏感性比較高,特別是多層焊時,前一層易出現裂紋。如果提高Al的含量,就會形成T+U的雙相組織,可以抑制裂紋的出現,但是Al的含量過高,會在U相中析出V2硬質相,又會使裂紋敏感性增大,所以, Al的含量以7%～ 11%為宜,且要加入一定量的Ni、 Fe、 Mn來抑制V2硬質相的析出。
Cu和Ni無限互溶,因此焊縫組織是粗大的T單相固溶體,由于受雜質元素的影響,固、液相區間擴大,晶界析出低熔點共晶物,在焊接應力的作用下,易形成裂紋。多層焊時裂紋敏感性更大,應避免使用過大的焊接線能量。
2.2鋼和銅、銅合金的焊接
Fe與Cu的熔點、導熱系數、線脹系數差異較大,這對鋼與銅的焊接是不利的。由Fe和Cu的二元合金相圖可知: Fe<0.3%時為相,Fe<0.2%時為X相,其它情況為T+X相組織,所以銅和鋼焊接時,在熔合線
附近靠銅一側為T+X組織。鋼與銅、銅合金焊接時,主要問題是易出現熱裂紋、鐵稀釋侵入裂紋及滲透裂紋,而氣孔傾向比較小。
(1)熱裂紋主要是由焊縫中的低熔點共晶體、組織狀態以及焊接應力造成的。
鋼和銅中都含有雜質,在焊接過程中能形成各種=低熔點共晶體和脆性化合物,容易產生偏析。焊接低碳鋼和銅、銅合金時,焊縫中易形成FeS (熔點為1 189℃ )、 FeP (熔點為1 050℃ )和(Fe+ FeS)共晶體(共晶溫度為985℃ )。再加上銅中的一些低熔點共晶體,這些化合物和低熔點共晶體偏析于晶界,嚴重地削弱了金屬在高溫時的晶間結合力,焊縫易產生熱裂紋。
焊縫中Fe含量對熱裂紋的影響也很大。當Fe含量達0.2%～ 1.1%時,焊縫金屬呈T單相組織,抗熱裂紋能力降低,當Fe含量加大時,焊縫變為T+X雙相組織,抗熱裂紋能力提高,當Fe含量為10%～ 43%時,抗
熱裂紋能力最好。
(2) Fe的稀釋侵入裂紋
文獻[3]認為,在固態下, Fe和Cu幾乎不固溶,由于鋼的稀釋而使Fe侵入焊縫,偏析于晶界。和Fe同時熔入焊縫的C濃縮于Fe中,形成含C較高的Fe的脆性化合物Fe3C,這種Fe的析出相硬而易偏析,降低
了焊縫的韌性及抗裂紋能力。
(3)銅的晶界滲透裂紋
在鋼表面堆焊銅及銅合金時,近縫區產生滲透裂紋的主要原因是液態銅對鋼的滲透和拉應力共同作用而形成的。文獻[4]認為,在結晶過程中,金屬組織往往存在缺陷,因此在鋼的結晶表面上,就會產生微觀裂口,這時處于液態的銅,容易侵潤微觀裂口表面,并在毛細管效應的作用下,侵入微觀裂口中。侵入鋼中的銅或銅合金液體,對微觀裂口壁能產生一個附加壓力,其壓力值可達24.5 MPa,這樣,在拉應力的共同作用下,近縫區就產生了熱裂紋。
文獻[5]認為,在銅基釬料高溫釬焊不銹鋼時出現的滲透裂紋,是由于富銅的Cu-Mn液相在釬焊表面的潤濕鋪展是三維的,而Mn的蒸發及向基體金屬體積擴散起到了“清道夫”和改善釬焊表面的作用,為潤濕鋪展創造了良好的條件。
3.銅及銅合金的焊接工藝
3.1銅及銅合金的焊接
3.1.1銅
接過程中,最重要的是預熱、保溫,并采用較快的焊接速度,這樣才能使焊縫金屬很快達到熔化溫度,晶粒不會長得過大。特別是在焊厚板時,預熱溫度必須達到400～ 500℃ 。另外,還要在焊接過程中加入一些脫氧還原劑,以便于清除焊縫中的O2、 H2、 S等雜質。采用惰性氣體保護焊時,使用不同的氣體,得到熔深也不同,用雙原子氣體N2比Ar的熔深大,因此,保護氣體用N2時預熱溫度可以降低一些。一般在焊絲中加入一定量的Si比較好。用激光、等離子弧、電子束焊接則比較好,用電子束熔焊脫氧銅時,第一次焊易出現缺陷,再焊一次時則焊道成形良好。
3.1.2銅合金
(1)黃銅
為了減少Zn的蒸發,焊接時應盡可能地采用快速焊,這就需要加大焊接線能量,因此,焊前最好先預熱,預熱溫度為200～ 250℃ 。盡可能不補焊或在反面焊接,因為再次加熱會使黃銅中的Zn加劇蒸發,晶粒增大,易出現裂紋。
(2)青銅
青銅在加熱狀態下脆性大,焊接時應防止沖擊和震動。鋁青銅焊接時, Al和O2化合成難熔的Al2O3,為了清除Al2O3可以采用鋁合金焊接時的還原劑。硅青銅焊接時, Si和O2化合成SiO2,形成薄膜,可以減少其它合金成分的蒸發,具有很好的焊接性。
(3)白銅
白銅的流動性能比較好,焊接時也要依靠加入還原劑和采用較快的焊接速度,以保證焊接接頭的質量。因B30、B10都存在中溫脆性,因此拘束度大的焊縫易出現裂紋,應盡可能的采用小的焊接線能量,以使晶粒細小,提高焊接質量。
3.2 鋼和銅、銅合金的焊接
鋼和銅、銅合金的焊接主要采用埋弧焊、釬焊、惰性氣體保護焊。
鋁青銅與鋼焊接時,由于鋁青銅導熱系數小,因此需要預熱,一般為100～ 200℃ 。而銅鎳合金則不用預熱,因鋼與銅鎳合金的導熱系數相近。焊接時要注意選擇正確的焊絲,用于防止滲透裂紋和鐵稀釋侵入裂紋。因此,一般采用熔深淺的TIG焊。
工程上,在鋼的表面上堆焊B30、B10的情況經較多,一般采用TIG焊、帶極埋弧焊,最好是采用等離子弧堆焊,因稀釋率最小可達2%。焊接時多采用純鎳或蒙乃爾合金作過渡層,然后再焊工作層,效果比較好。
否則易出現裂紋,特別是Fe的稀釋侵入對裂紋的影響比較明顯。因此,采用稀釋率比較低的等離子弧堆焊就可以不要過渡層,如果工藝選擇合理,材料選擇得當,堆焊質量很好。